बेस स्टेशन में BBU और RRU कैसे दक्षता से सहयोग करते हैं?

सिग्नल प्रोसेसिंग में बेसबैंड यूनिट (BBU) के कार्य और जिम्मेदारियाँ

आधुनिक बेस स्टेशनों के केंद्र में बेसबैंड यूनिट (BBU) होती है, जो सभी प्रकार के महत्वपूर्ण सिग्नल प्रोसेसिंग कार्य संभालती है। मॉड्यूलेशन और डीमॉड्यूलेशन, त्रुटि सुधार के तरीके, और PDCP, RLC तथा RRC सहित विभिन्न परतों में प्रोटोकॉल प्रबंधन के बारे में सोचिए। वायरलेस माध्यम से कुछ भी प्रसारित करने से पहले, यह इकाई यह सुनिश्चित करती है कि LTE और 5G NR नेटवर्क दोनों को नियंत्रित करने वाले 3GPP मानकों के साथ सब कुछ सुसंगत हो। BBU को वास्तव में खास बनाता है नियंत्रण तल के कार्यों को प्रणाली में प्रवाहित हो रहे वास्तविक डेटा से अलग करना। जब हैंडओवर प्रबंधन जैसी चीजें सामान्य डेटा प्रवाह से अलग होती हैं, तो यह स्मार्ट संसाधन आवंटन की संभावनाओं को खोल देता है। नेटवर्क तब ट्रैफ़िक में अप्रत्याशित रूप से वृद्धि या गिरावट के समय त्वरित प्रतिक्रिया कर सकते हैं, चरम उपयोग के समय भी संचालन को सुचारू रूप से चलाए रख सकते हैं।

RF रूपांतरण और एंटीना इंटरफेसिंग में रिमोट रेडियो यूनिट (RRU) की भूमिका

रिमोट रेडियो यूनिट (RRU) एंटीना के ठीक बगल में स्थित होती है, जहाँ यह उन बेसबैंड सिग्नल को वास्तविक रेडियो तरंगों, जैसे 2.6 गीगाहर्ट्ज़ या 3.5 गीगाहर्ट्ज़ आवृत्तियों में परिवर्तित करती है। इस स्थिति के कारण सिग्नल नुकसान में कमी आती है जो सामान्य समाक्षीय केबल का उपयोग करते समय काफी अधिक हो सकता है - विशेष रूप से इन उच्च आवृत्ति सीमाओं में प्रत्येक 100 मीटर पर लगभग 4 डीबी। RRU वास्तव में क्या करती है? खैर, यह डाउनस्ट्रीम डेटा भेजने के लिए डिजिटल जानकारी को वापस एनालॉग रूप में परिवर्तित करने का काम करती है, उपकरणों से वापस आने वाले कमजोर सिग्नल को बिना अत्यधिक शोर जोड़े बढ़ाती है, और 700 मेगाहर्ट्ज़ से लेकर 3.8 गीगाहर्ट्ज़ तक कई आवृत्ति बैंड के साथ कैरियर एग्रीगेशन के माध्यम से काम करती है। इन यूनिट्स को एंटीना के निकट रखने से नेटवर्क की प्रतिक्रिया भी तेज होती है। परीक्षणों से पता चलता है कि उपकरण स्थानों के बीच लंबी केबल के उपयोग वाली पुरानी प्रणालियों की तुलना में देरी लगभग 25% तक कम हो जाती है।

पूरक कार्यप्रवाह: BBU और RRU एंड-टू-एंड सिग्नल संचरण को कैसे सक्षम बनाते हैं

CPRI या eCPRI प्रोटोकॉल का उपयोग करते हुए उच्च-गति फाइबर लिंक के माध्यम से BBU और RRU सहयोग करते हैं, जो डिजिटल प्रसंस्करण से लेकर एयर ट्रांसमिशन तक एक निर्बाध सिग्नल श्रृंखला बनाते हैं।

इस वितरित वास्तुकला में BBU को केंद्रीकृत किया जाता है जबकि RRU को टावर के शीर्ष पर रखा जाता है, जो शहरी वातावरण में 32% तक स्पेक्ट्रल दक्षता में सुधार करता है। इस पृथक्करण के कारण स्वतंत्र अपग्रेड संभव होते हैं और यह विकसित हो रहे O-RAN पारिस्थितिकी तंत्र में विशेष रूप से लाभकारी है।

फाइबर आधारित फ्रंटहॉल कनेक्टिविटी: CPRI और eCPRI के साथ BBU और RRU को जोड़ना

BBU-RRU संचार में उच्च गति ऑप्टिकल फाइबर लिंक

फाइबर ऑप्टिक केबल आज के फ्रंटहॉल नेटवर्क की रीढ़ हैं, जो BBUs को RRUs से जोड़ते समय उच्च बैंडविड्थ और न्यूनतम विलंबता प्रदान करती हैं। ये केबल प्रति सेकंड 25 गीगाबिट से अधिक डेटा गति को संभाल सकती हैं, जिसका अर्थ है कि वे उन डिजिटाइज्ड रेडियो सिग्नल को विश्वसनीय ढंग से ले जा सकती हैं बिना किसी विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के, जो भीड़-भाड़ वाले शहरी क्षेत्रों में बहुत महत्वपूर्ण होता है जहाँ एक साथ बहुत सारे उपकरण काम कर रहे होते हैं। CPRI मानक द्विदिश फाइबर के साथ काम करता है ताकि BBU में होने वाली बेसबैंड प्रोसेसिंग और RRU द्वारा की जाने वाली वास्तविक RF गतिविधि के बीच सिंक्रनाइजेशन बनाए रखा जा सके। यह सिंक्रनाइजेशन पूरे सिस्टम में सिग्नल की गुणवत्ता को शुरुआत से अंत तक बनाए रखने में मदद करता है।

CPRI बनाम eCPRI: फ्रंटहॉल दक्षता और बैंडविड्थ प्रबंधन के लिए प्रोटोकॉल

जैसे-जैसे हम 5G नेटवर्क की ओर बढ़ रहे हैं, कई ऑपरेटरों ने एक ऐसी चीज अपनाना शुरू कर दिया है जिसे संवर्धित CPRI या संक्षेप में eCPRI कहा जाता है। eCPRI के रोचक होने का कारण यह है कि यह पुराने संस्करणों की तुलना में CPRI के लिए बैंडविड्थ आवश्यकताओं को दस गुना तक कम कर देता है। पारंपरिक CPRI अलग तरीके से काम करता है। इसे प्रत्येक एंटीना के लिए अलग फाइबर कनेक्शन की आवश्यकता होती है और यह लेयर 1 संचालन के नाम से जानी जाने वाली चीज पर टिका रहता है। लेकिन समस्या यह है: जब आजकल इतनी आम हो रही बड़ी MIMO सेटअप की बात आती है, तो सामान्य CPRI ठीक से स्केल नहीं हो पाता। यहीं पर eCPRI उभरता है। ईथरनेट आधारित परिवहन विधियों पर स्विच करके, यह कई दूरस्थ रेडियो इकाइयों को सांख्यिकीय मल्टीप्लेक्सिंग के माध्यम से संसाधनों को साझा करने की अनुमति देता है। परिणाम? फ्रंटहॉल दक्षता के मामले में बहुत बेहतर प्रदर्शन, बिना अतिरिक्त बुनियादी ढांचे की लागत के।

यह विकास फ्रंटहॉल लागत को 30% तक कम करता है और स्केलेबल मिलीमीटर-वेव तैनाती का समर्थन करता है।

फ्रंटहॉल डिज़ाइन में विलंबता, क्षमता और सिंक्रनाइज़ेशन पर विचार

समय सही प्राप्त करना बहुत महत्वपूर्ण है। यदि 50 नैनोसेकंड से बड़ी सिंक्रनाइज़ेशन त्रुटि होती है, तो यह 5G नेटवर्क में बीमफॉर्मिंग और अन्य सभी समय-आधारित कार्यों को बिगाड़ देती है। इसी कारण आधुनिक फ्रंटहॉल सेटअप IEEE 802.1CM TSN मानक जैसी चीजों का उपयोग करते हैं ताकि नियंत्रण संकेत नेटवर्क के माध्यम से ठीक से संचालित हो सकें। डेटा आयतन को संभालने के मामले में, अधिकांश लोग आजकल 25G ट्रांसीवर पर जा रहे हैं। वे लगभग 1.5 डीबी प्रति किलोमीटर पर सिग्नल नुकसान को संभालते हैं, जो वास्तव में पुराने 10G सिस्टम को लगभग दो तिहाई तक पीछे छोड़ देता है। इन सभी अपग्रेड का अर्थ यह है कि हम अभी भी एक मिलीसेकंड से कम के प्रतिक्रिया समय प्राप्त कर सकते हैं, भले ही बेसबैंड इकाइयों को केंद्रीय वास्तुकला सेटअप में दूरस्थ रेडियो इकाइयों से 20 किलोमीटर दूर रखने की आवश्यकता हो।

नेटवर्क वास्तुकला का विकास: D-RAN से C-RAN और vRAN तक

D-RAN बनाम C-RAN: BBU तैनाती और RRU वितरण पर प्रभाव

पारंपरिक वितरित RAN या D-RAN सेटअप में प्रत्येक सेल टावर के पास दूरस्थ रेडियो इकाई के ठीक बगल में ही अपनी बेसबैंड इकाई (BBU) होती है। यद्यपि इससे सिग्नल देरी 1 मिलीसेकंड से कम रहती है, लेकिन इसका अर्थ यह है कि ज्यादातर समय उपयोग न होने वाले बहुत सारे उपकरण बिखरे पड़े रहते हैं और टावरों के बीच संसाधन साझा करना काफी मुश्किल हो जाता है। नए केंद्रीकृत RAN दृष्टिकोण में सभी BBU को एक साथ केंद्रीय स्थानों पर रखा जाता है जो विभिन्न स्थलों पर RRU से फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से जुड़े होते हैं। 2023 की डेल'ओरो की उद्योग अनुसंधान रिपोर्ट के अनुसार, इस परिवर्तन से चल रहे खर्चों में लगभग 17% से लेकर लगभग 25% तक की कमी आ सकती है। इसके अलावा, नेटवर्क ऑपरेटरों को दिनभर में बदलते ट्रैफ़िक पैटर्न के अनुसार उस स्थान पर प्रोसेसिंग शक्ति स्थानांतरित करने की क्षमता प्राप्त होती है।

सुधरी गई संसाधन साझेदारी और दक्षता के लिए C-RAN में केंद्रीकृत BBU पूल

केंद्रीकृत सुविधाओं में BBU को एकत्रित करके, ऑपरेटर एक ही स्थान से सैकड़ों RRU का प्रबंधन कर सकते हैं। इसके लाभों में शामिल हैं:

• हार्डवेयर एकीकरण : 24-सेल तैनाती के लिए D-RAN के बराबर तैनाती की तुलना में 83% कम BBU चेसिस की आवश्यकता होती है
• ऊर्जा ऑप्टिमाइज़ेशन : लोड बैलेंसिंग आधार स्टेशन की बिजली खपत को 35% तक कम कर देती है (एरिक्सन केस अध्ययन 2022)
• उन्नत समन्वय : समन्वित मल्टीपॉइंट (CoMP) जैसी तकनीकों को 5G मिलीमीटर-वेव बीमफॉर्मिंग के लिए कुशलता प्रदान करता है

वर्चुअलाइज्ड RAN (vRAN): क्लाउड-आधारित प्रसंस्करण में BBU कार्यों का विकास

vRAN बेसबैंड प्रसंस्करण को विशिष्ट हार्डवेयर से अलग कर देता है और वाणिज्यिक ऑफ-द-शेल्फ क्लाउड सर्वर्स पर वर्चुअलाइज्ड BBU (vBBU) कार्यों को चलाता है। इस परिवर्तन के परिणामस्वरूप होते हैं:

1. लचीला स्केलिंग : प्रसंस्करण संसाधन ट्रैफ़िक पैटर्न के अनुसार गतिशील रूप से बढ़ते हैं
2. एज एकीकरण : 67% ऑपरेटर MEC (मल्टी-एक्सेस एज कंप्यूटिंग) नोड्स के साथ vBBUs का तैनाती लेटेंसी कम करने के लिए करते हैं (नोकिया 2023)
3. इंटरऑपरेबिलिटी चुनौतियाँ : विभिन्न विक्रेताओं के बावजूद, सब-700 μs समकालिकता प्राप्त करने के लिए विशेष त्वरण हार्डवेयर की आवश्यकता होती है

D-RAN से C-RAN और vRAN तक का विकास यह दर्शाता है कि केंद्रीकरण और आभासीकरण नेटवर्क दक्षता, स्केलेबिलिटी और लागत प्रभावशीलता में कैसे सुधार करते हैं।

ओ-रेन और फंक्शनल स्प्लिट्स: BBU-RRU सहयोग को फिर से परिभाषित करना

ओ-रेन एलायंस मानक और BBU तथा RRU के लिए ओपन इंटरफ़ेस आवश्यकताएँ

ओ-रेन एलायंस बेस बैंड यूनिट्स (BBUs) और रिमोट रेडियो यूनिट्स (RRUs) के बीच एक-दूसरे से बातचीत करने के लिए मानक तरीके निर्धारित करके अधिक खुले और संगत रेडियो एक्सेस नेटवर्क डिज़ाइन के लिए प्रयास कर रहा है। इसका वास्तविक अर्थ यह है कि ऑपरेटर एक ही आपूर्तिकर्ता के पारिस्थितिकी तंत्र में बंद रहने के बजाय विभिन्न विक्रेताओं के उपकरणों को मिलाकर उपयोग कर सकते हैं। इन घटकों के बीच कार्यों को विभाजित करने के लिए गठबंधन ने विभिन्न तरीकों, जैसे विकल्प 7.2x का निर्माण किया है। इस सेटअप में, RLC और MAC परतों जैसी चीजें BBU में अपना काम संभालती हैं, जबकि निचले स्तर के भौतिक परत कार्य और RF प्रसंस्करण RRU के छोर पर होते हैं। पिछले साल Applied Sciences में प्रकाशित एक हालिया पत्र में पाया गया कि यह विशेष विन्यास फ्रंटहॉल देरी को 250 माइक्रोसेकंड से कम रखता है, जो वायरलेस नेटवर्क के लिए समय संबंधी मुद्दों के प्रति संवेदनशीलता को देखते हुए काफी प्रभावशाली है। बेशक यहाँ एक समझौता भी है। जबकि खुले मानक उपकरण खरीदते समय अधिक विकल्प प्रदान करते हैं, यह सभी विभिन्न भागों के बीच लगातार समन्वय की मांग करता है ताकि सुनिश्चित किया जा सके कि सभी चीजें बिना समग्र प्रदर्शन को प्रभावित किए सुचारु रूप से एक साथ काम करें।

ओ-रैन आर्किटेक्चर में फंक्शनल स्प्लिट विकल्प (उदाहरण: स्प्लिट 7-2x)

स्प्लिट 7.2x मानक विभिन्न घटकों के बीच प्रसंस्करण कार्यों को दो मुख्य तरीकों का उपयोग करके विभाजित करके काम करता है। श्रेणी A के साथ, अधिकांश कार्य BBU तरफ होता है जिससे RRU सरल हो जाते हैं लेकिन फ्रंट हॉल कनेक्शन पर अधिक ट्रैफ़िक उत्पन्न होता है। इसके विपरीत, श्रेणी B प्रसंस्करण कार्यों को स्वयं RRU तक धकेल देता है। यह सेटअप उपयोगकर्ताओं से वापस आ रहे सिग्नल्स के साथ निपटने पर बेहतर प्रदर्शन देता है, हालाँकि इससे हार्डवेयर अधिक जटिल हो जाता है। हाल की उद्योग रिपोर्टों के अनुसार, लगभग दो तिहाई नेटवर्क ऑपरेटरों ने अपने विशाल MIMO तैनाती के लिए श्रेणी B का चयन किया है क्योंकि उन्हें सिग्नल हस्तक्षेप पर बहुत बेहतर नियंत्रण मिलता है। तकनीकी दुनिया भी लगातार विकसित हो रही है। उदाहरण के लिए 2023 ULPI परियोजना लीजिए। इस नए विकास ने सिस्टम आर्किटेक्चर के भीतर कुछ समानता कार्यों को स्थानांतरित कर दिया है ताकि समग्र प्रदर्शन में और अधिक वृद्धि प्राप्त की जा सके। ऐसे सुधार वास्तव में वे हैं जिन्हें हाल ही में O-RAN कार्य समूहों के दस्तावेजों ने उजागर किया है।

ओपन रेन डिप्लॉइमेंट में इंटरऑपरेबिलिटी और प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाना

ओ-रेन समय के साथ पैसे बचाने की संभावना लाता है और विभिन्न विक्रेताओं के साथ काम करने की अनुमति देता है, लेकिन इसे पारंपरिक एकीकृत आरएन प्रणालियों के समान प्रदर्शन करने योग्य बनाना अभी भी एक कठिन काम है। समस्या विभिन्न निर्माताओं द्वारा हार्डवेयर त्वरण क्षमताओं और उनके सॉफ़्टवेयर की परिपक्वता के मामले में पेश की गई विविधताओं तक सीमित हो जाती है। इससे डेटा थ्रूपुट और बिजली की खपत जैसे महत्वपूर्ण मापदंडों को प्राप्त करने के प्रयास में वास्तविक समस्याएं उत्पन्न होती हैं। जब कंपनियां केंद्रीकृत बीबीयू पूल स्थापित करती हैं, तो उन्हें फ्रंट एंड पर अत्यधिक विश्वसनीय कनेक्शन की भी आवश्यकता होती है, जिसके लिए उद्योग मानकों के अनुसार झिटकी (जिटर) को लगभग 100 नैनोसेकंड से कम रखने की आवश्यकता होती है। अधिकांश विशेषज्ञ पहले धीमे रहने का सुझाव देते हैं, शायद शहरों में कुछ कम जोखिम वाले स्थानों से शुरुआत करें जहां समस्याएं प्रमुख व्यवधान नहीं पैदा करेंगी। यह दृष्टिकोण ऑपरेटरों को यह परखने का अवसर देता है कि क्या सब कुछ सही ढंग से काम कर रहा है और अपेक्षाओं पर खरा उतर रहा है, इससे पहले कि वे बड़े क्षेत्रों में पूरी तरह से लागू करें।